蔡海燕

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)處,西安 710043)

1 概述

根據(jù)我國(guó)《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，“十二五”期間節(jié)能減排的主要目標(biāo)是：到2015年，要實(shí)現(xiàn)全國(guó)萬元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗要比2010年下降16%。然而全國(guó)各行各業(yè)(包括鐵路行業(yè))，其節(jié)能減排的主要措施之一是實(shí)現(xiàn)信息化，信息化是依靠于現(xiàn)在通信提供的各方面的增值和各方面更先進(jìn)的通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。有專家提出，信息技術(shù)有助于幫助其他產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排，但信息技術(shù)自身環(huán)保問題不容忽視，信息產(chǎn)業(yè)已成為全球第五大耗能產(chǎn)業(yè)，二氧化碳排放占全世界排放2.5%。這個(gè)數(shù)字跟全世界航空運(yùn)輸業(yè)相當(dāng)[1]。

根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12萬km以上，復(fù)線率和電化率分別達(dá)到50%和60%以上，主要繁忙干線實(shí)現(xiàn)客貨分線，基本形成布局合理、結(jié)構(gòu)清晰、功能完善、銜接順暢的鐵路網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)輸能力滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要，主要技術(shù)裝備達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。與此同時(shí)，鐵路行業(yè)要完成“十二五”節(jié)能減排的目標(biāo)，任務(wù)非常艱巨，因此節(jié)能的理念必須貫徹到鐵路各個(gè)環(huán)節(jié)[2]。

2 鐵路通信行業(yè)能源消耗的特點(diǎn)

鐵路通信是鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾夹g(shù)基礎(chǔ)，是鐵路運(yùn)輸指揮的中樞神經(jīng)。鐵路通信系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)、調(diào)度指揮、經(jīng)營(yíng)管理、保證安全、提高效率時(shí)時(shí)刻刻都不能離開的技術(shù)裝備和生產(chǎn)手段[3]。鐵路通信主要包括了傳輸、接入網(wǎng)、電話交換、數(shù)字調(diào)度、無線通信、數(shù)據(jù)網(wǎng)、會(huì)議、應(yīng)急通信、視頻監(jiān)控、電源等十多個(gè)子系統(tǒng)，其主要作用是滿足鐵路運(yùn)輸?shù)男枰?，提供包括話音、?shù)據(jù)、圖像等各種信息的通信業(yè)務(wù)。

鐵路行業(yè)近年來對(duì)于節(jié)能設(shè)計(jì)非常重視，目前鐵路現(xiàn)行的《鐵路工程節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10016—2006)中已明確了通信專業(yè)的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要求在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比選時(shí)，將節(jié)約能源作為重要因素，對(duì)能耗指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。規(guī)范中要求：通信電源應(yīng)采用智能化設(shè)備，整流器應(yīng)具有監(jiān)控通信接口功能，整流設(shè)備的效率值不應(yīng)小于0.9。根據(jù)環(huán)境許可的地點(diǎn)，通信電源可采用太陽(yáng)能電源或其他能源供電[4]。

在鐵路工程設(shè)計(jì)中，通信專業(yè)設(shè)計(jì)執(zhí)行了節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范和專業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用了各種有效的節(jié)能措施。鑒于鐵路行業(yè)的特殊性，鐵路通信系統(tǒng)能源消耗方面存在著4個(gè)主要特點(diǎn)。

(1)通信系統(tǒng)的高安全性和高可靠性要求加大了能源消耗

鐵路通信系統(tǒng)是鐵路系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)指揮、管理、服務(wù)乘客的平臺(tái)，是鐵路系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)系統(tǒng)，是維持鐵路正常運(yùn)營(yíng)、保證列車運(yùn)行安全、提高運(yùn)輸效率的必要條件，因此必須具有很高的安全性和可靠性。正是因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)的這種功能定位，使得通信設(shè)備必須24 h全天候不間斷運(yùn)行，同時(shí)重要設(shè)備必須雙機(jī)熱備，在加大了自身能源消耗的同時(shí)，也加大了機(jī)房空調(diào)的能耗。

(2)鐵路通信系統(tǒng)的預(yù)留設(shè)計(jì)加大了能源消耗

由于鐵路是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，鐵路建設(shè)必須考慮適當(dāng)預(yù)留，以適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。所以鐵路通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮預(yù)留發(fā)展的需要。通信線路、通信房屋等基礎(chǔ)設(shè)施等宜按20年設(shè)計(jì)；外供電源和不易改、擴(kuò)建的設(shè)備宜按10年設(shè)計(jì)；對(duì)于容易改、擴(kuò)建的通信設(shè)備可按5年設(shè)計(jì)。

這種預(yù)留設(shè)計(jì)同時(shí)也為節(jié)能帶來了難題。例如通信機(jī)房等基礎(chǔ)設(shè)施的預(yù)留設(shè)計(jì)，使得初期開通時(shí)通信機(jī)房空間大，空調(diào)控制區(qū)域加大，能耗加大。再如鐵路樞紐內(nèi)易改擴(kuò)容的通信設(shè)備，由于建設(shè)項(xiàng)目、周期、方式存在差異，往往出現(xiàn)多套同類型、同用途設(shè)備堆疊在同一機(jī)房，造成投資和能源的浪費(fèi)。

(3)無線通信技術(shù)的改進(jìn)加大了能源消耗

隨著鐵路運(yùn)輸現(xiàn)代化和信息化的發(fā)展，鐵路各運(yùn)營(yíng)部門都需要使用無線通信手段，輔助提高生產(chǎn)效率，保障運(yùn)輸安全。雖然目前使用最廣泛的還是列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)和站場(chǎng)調(diào)車通信系統(tǒng)，但是鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)憑借優(yōu)越的數(shù)字通信性能已應(yīng)用于客運(yùn)專線鐵路和部分重要干線鐵路。這樣，區(qū)間的通信設(shè)備能源消耗就從少量的弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)備變?yōu)榇罅康臒o線基站設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)越高、線路越長(zhǎng)、基站越多、能耗越大[5]。

(4)信息化技術(shù)的發(fā)展加大了能源消耗

目前鐵路其他專業(yè)部門提出的節(jié)能減排的主要措施之一，就是專業(yè)設(shè)備產(chǎn)品信息化、智能化，這就使得通信專業(yè)為實(shí)現(xiàn)相關(guān)專業(yè)的信息通道，增加接口板數(shù)量或轉(zhuǎn)換設(shè)備。由于我國(guó)鐵路維護(hù)管理體制的要求，單個(gè)車站需要提供的不同類型通道常常多達(dá)十幾種，無形中加大了通信專業(yè)的能源消耗。

從上面的分析可以看出，通信系統(tǒng)的節(jié)能不能僅僅考慮通信設(shè)備能耗本身，還應(yīng)與鐵路工程建設(shè)緊密結(jié)合，在滿足相關(guān)專業(yè)需求和通信系統(tǒng)性能的前提下，根據(jù)所在地區(qū)的能源政策和資源條件，采用高效低能耗的新產(chǎn)品、新技術(shù)及可再生能源，為鐵路運(yùn)輸指揮現(xiàn)代化和鐵路信息化提供基礎(chǔ)保障。

3 鐵路通信系統(tǒng)能源消耗分析

鐵路通信系統(tǒng)的能耗主要由通信設(shè)備能耗和機(jī)房空調(diào)能耗組成，為了確保通信系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要使用空調(diào)等設(shè)施來控制機(jī)房的溫度和濕度，而通信設(shè)備能耗又決定了通信機(jī)房空調(diào)數(shù)量及能耗。

鐵路通信機(jī)房設(shè)備用電類型有2種：一種是-48 V直流用電設(shè)備；一種是220 V/380 V交流用電設(shè)備。一般電源設(shè)備均設(shè)置在通信機(jī)房?jī)?nèi)，這樣可以深入負(fù)荷區(qū)域，有利于減少至通信設(shè)備的電源線纜長(zhǎng)度，所以至通信設(shè)備的導(dǎo)線的發(fā)熱損耗大大減少，而電池與電源設(shè)備就近布置，同樣減少了至電池的導(dǎo)線發(fā)熱損耗，從而減少了電源線纜的電能損耗[6]。

以某客運(yùn)專線典型車站通信機(jī)房及區(qū)間無線基站為例，直流用電的通信設(shè)備能耗情況如表1所示。

表1 車站通信機(jī)房及區(qū)間無線基站通信設(shè)備能耗情況

根據(jù)《鐵路通信電源設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10072—2000)和《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)中規(guī)定的蓄電池后備時(shí)間計(jì)算：車站通信機(jī)房蓄電池后備時(shí)間為1 h，經(jīng)計(jì)算，應(yīng)配置180 A的高頻開關(guān)電源和2組200 Ah蓄電池組；區(qū)間無線基站蓄電池后備時(shí)間為3 h。經(jīng)計(jì)算，應(yīng)配置90A的高頻開關(guān)電源和2組100 Ah蓄電池組。采用交流供電的設(shè)備主要有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、會(huì)議電視設(shè)備等，經(jīng)計(jì)算，車站通信機(jī)房配置16 kVA的UPS，區(qū)間無線基站配置3 kVA的UPS，蓄電池的備用時(shí)間滿足規(guī)范要求。

通常開關(guān)電源設(shè)備在采購(gòu)的過程中會(huì)考慮系統(tǒng)整流模塊N+1備份及后期擴(kuò)容等需求，往往開關(guān)電源的容量選型大于當(dāng)前通信設(shè)備實(shí)際負(fù)載，沒有對(duì)冗余開關(guān)電源模塊進(jìn)行識(shí)別、休眠軟關(guān)斷和智能控制功能，結(jié)果導(dǎo)致電源實(shí)際工作負(fù)載率較低?；鹃_關(guān)電源在絕大部分情況下工作在浮充狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)輸出占總?cè)萘康?0%～40%，而模塊的最佳能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)在40%以上的負(fù)載率。

4 鐵路通信行業(yè)的節(jié)能減排措施

鐵路通信行業(yè)的節(jié)能減排，從對(duì)社會(huì)來說整體上可以分成兩大部分：第一大部分是整個(gè)鐵路通信行業(yè)的發(fā)展對(duì)鐵路及社會(huì)節(jié)能減排的作用；第二大部分是整個(gè)鐵路通信行業(yè)自身在節(jié)能減排中的作用。

總體上來說，通信的發(fā)展實(shí)際上本身會(huì)對(duì)整個(gè)鐵路及社會(huì)節(jié)能減排起到一個(gè)倍增器的作用，通信發(fā)展1倍可能對(duì)于整個(gè)鐵路及社會(huì)的節(jié)能減排是數(shù)倍或者十?dāng)?shù)倍的作用。近年來，隨著通信設(shè)備發(fā)展，一批節(jié)能減耗的新技術(shù)正在逐步的推廣使用，為通信設(shè)備節(jié)能降耗乃至社會(huì)的節(jié)能減排做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。經(jīng)分析鐵路通信系統(tǒng)可從以下4個(gè)方面著手，仍有望獲得可觀的節(jié)能減排效果。

4.1 提高電源設(shè)備電能轉(zhuǎn)換工作效率，降低通信運(yùn)營(yíng)成本

對(duì)于高頻開關(guān)電源，可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷大小，開啟適當(dāng)數(shù)量的整流模塊，使每個(gè)模塊工作在40%～55%的最大負(fù)荷狀態(tài)下，這樣既節(jié)約了能源，又減小了對(duì)設(shè)備的消耗；整流模塊散熱風(fēng)扇改造，可以將高頻開關(guān)電源整流模塊上的散熱風(fēng)扇改造成根據(jù)設(shè)備溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇，這樣就能有效的避免了散熱風(fēng)扇長(zhǎng)期無間歇的運(yùn)轉(zhuǎn)而消耗大量的能源；合理安排開關(guān)電源蓄電池的充電時(shí)段，在用電低谷時(shí)段對(duì)蓄電池進(jìn)行均充，即節(jié)約了電費(fèi)又對(duì)設(shè)備無影響，節(jié)電效果明顯。

對(duì)于UPS電源設(shè)備，如果運(yùn)行負(fù)載率大于50%，UPS電源的效率一般可達(dá)90%以上[7]。因此，避免在購(gòu)買UPS電源的時(shí)候，為追求UPS的絕對(duì)效率，盲目擴(kuò)大UPS的裝機(jī)容量。要根據(jù)實(shí)際需要合理的選擇UPS電源的容量，提高其負(fù)載率，進(jìn)而提高了其運(yùn)行效率，節(jié)約了能源。

4.2 蓄電池的新技術(shù)應(yīng)用

在鐵路通信機(jī)房、基站都大量使用著鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池本身具有可逆性好，使用壽命長(zhǎng)的特性。但是，在實(shí)際使用中鉛酸蓄電池的壽命卻大大降低，其主要原因是供電質(zhì)量差、維護(hù)方式不合理及缺乏修復(fù)的手段造成的。由于蓄電池持續(xù)性欠充電，導(dǎo)致電池內(nèi)硫酸鉛晶體逐步硫化，硫化會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻增大，從而使電池容量下降。

目前，一種鉛酸蓄電池脈沖除硫技術(shù)正在進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證[8]。作為高效型的消除鉛酸蓄電池硫化現(xiàn)象的電子脈沖裝置，其工作原理是采用電子技術(shù)產(chǎn)生特殊脈沖，“沖刷清洗”掉極板上硫酸鉛結(jié)晶體。使電池始終保持全新高效的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)鉛酸蓄電池使用壽命。脈沖除硫器本身對(duì)電池?zé)o任何損害，適用于12～48 V任何容量的鉛酸蓄電池。可對(duì)任意一組鉛酸蓄電池均可進(jìn)行針對(duì)性細(xì)調(diào)，獲得最佳使用效率。

4.3 機(jī)房空調(diào)的節(jié)能

由于通信設(shè)備需要成年累月不間斷地運(yùn)行，除了通信設(shè)備自身耗電量巨大外，為滿足機(jī)房環(huán)境溫度、濕度、空氣含塵濃度的要求，機(jī)房?jī)?nèi)要獨(dú)立設(shè)置空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，加上用于機(jī)房環(huán)境條件技術(shù)保障的其他設(shè)備，這些最終導(dǎo)致機(jī)房成為電力消耗的“大戶”。

鐵路通信專業(yè)的機(jī)房、基站等場(chǎng)所，為保證設(shè)備及其附件正常、安全、連續(xù)運(yùn)行，需要保持機(jī)房?jī)?nèi)的溫度、濕度和潔凈度在設(shè)備允許的工作范圍內(nèi)[9]，因此這些機(jī)房多使用空調(diào)來維持機(jī)房所需的人工環(huán)境[10]。以基站為例，維持基站溫濕度環(huán)境所需的空調(diào)能耗占到了總能耗的40%～50%；通信站、鐵路局調(diào)度所由于設(shè)備密集，散熱量大，空調(diào)能耗同樣占很大比例。目前，機(jī)房空調(diào)大多選用普通舒適性空調(diào)，能效比低，因此空調(diào)與機(jī)房普遍存在不匹配現(xiàn)象，再加上基站機(jī)房數(shù)量多、設(shè)備散熱量高、空調(diào)冷負(fù)荷較大，具有巨大的節(jié)能潛力。例如采用面向?qū)ο蟮睦鋮s方法的基站設(shè)備分布式冷卻系統(tǒng)DCS，就非常適合于無人值守的工作環(huán)境，較常規(guī)空調(diào)能耗大幅降低30%以上[11]。

4.4 建立節(jié)能管理制度

鐵路通信行業(yè)的節(jié)能一方面要靠先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，另一方面則是靠先進(jìn)的節(jié)能管理機(jī)制的建立[12]。通過建立一系列節(jié)能管理制度，從各方面采取措施，與人密切的相關(guān)環(huán)節(jié)入手，與設(shè)備節(jié)能相結(jié)合，開展節(jié)能降耗的各項(xiàng)具體工作，可以起到更好的節(jié)能效果，使通信行業(yè)的整體節(jié)能更上一層臺(tái)階。

首先，制定鼓勵(lì)員工節(jié)能降耗的相關(guān)政策，鼓勵(lì)、引導(dǎo)員工積極主動(dòng)地節(jié)能降耗，從平時(shí)的一點(diǎn)一滴做起，為企業(yè)和國(guó)家做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)；其次，重視通信電源的節(jié)能降耗管理，加強(qiáng)用電管理、提高使用效率、降低維護(hù)成本；第三，定期對(duì)機(jī)房進(jìn)行整治，停用、拆除和掉電一些不用的或舊的設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著鐵路通信的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來越多的專業(yè)需求和越來越復(fù)雜的通信設(shè)備也帶來了越來越大的能源消耗，能源消耗已嚴(yán)重影響到鐵路部門的效益和發(fā)展。鐵路通信行業(yè)應(yīng)積極響應(yīng)政府號(hào)召，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展的同時(shí)，最大限度地減少通信行業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，提高通信設(shè)備的能源使用效率，進(jìn)一步擴(kuò)大通信產(chǎn)業(yè)在服務(wù)鐵路發(fā)展大局、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮的重要作用和影響，為鐵路工程建設(shè)的節(jié)能創(chuàng)造先決條件，為整個(gè)鐵路行業(yè)的節(jié)能減排打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

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